1. Introducción
Óxido de grafeno de una sola capa El SLGO, un nanomaterial de carbono bidimensional (2D) derivado del grafeno, ha atraído gran atención en el campo de las baterías de iones de litio (LIB). Su estructura única y sus excelentes propiedades fisicoquímicas (p. ej., alta conductividad eléctrica, gran superficie específica y abundantes grupos funcionales con oxígeno) lo convierten en un candidato prometedor para abordar las limitaciones de los materiales tradicionales de LIB. Este artículo revisa sistemáticamente las características estructurales del SLGO, su aplicación en electrodos de LIB (cátodos y ánodos), los aditivos conductores y las mejoras de seguridad, así como sus métodos de preparación, los desafíos técnicos y las perspectivas de desarrollo futuro.
2. Propiedades únicas del óxido de grafeno de una sola capa
2.1 Características estructurales
El SLGO consta de una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal, con una longitud de enlace CC de aproximadamente 0,142 nm. La mayoría de los átomos de carbono del SLGO presentan hibridación sp², formando una estructura conjugada plana que contribuye a su alta conductividad eléctrica. A diferencia del grafeno puro, el SLGO contiene abundantes grupos funcionales oxigenados (p. ej., hidroxilo (-OH), epoxi (-O-) y carboxilo (-COOH)) en su plano basal y borde. Estos grupos funcionales no solo mejoran la hidrofilicidad y la dispersabilidad del SLGO en disolventes acuosos y orgánicos, sino que también proporcionan sitios activos para la modificación química y la preparación de compuestos.
La disposición atómica del SLGO afecta directamente su rendimiento: la red hexagonal intacta garantiza un transporte electrónico eficiente, mientras que los grupos funcionales con oxígeno mejoran su interacción con otros materiales (p. ej., materiales activos de electrodos y electrolitos). Sin embargo, un exceso de grupos con oxígeno puede destruir la estructura conjugada, lo que reduce la conductividad eléctrica. Por lo tanto, el control preciso del contenido y la distribución de oxígeno en el SLGO es crucial para su aplicación en baterías de iones de litio (LIB).
2.2 Propiedades fisicoquímicas
Alta conductividad eléctrica: La estructura conjugada sp² de SLGO permite un rápido transporte de electrones, con una conductividad eléctrica de hasta 10⁴ S/m (después de la reducción), que es mucho mayor que la de los materiales de carbono tradicionales (por ejemplo, negro de carbono: ~10² S/m).
Gran área de superficie específica: la estructura 2D de una sola capa de SLGO le otorga un área de superficie específica teórica de ~2630 m²/g, lo que proporciona sitios abundantes para la adsorción y almacenamiento de Li⁺.
Buena hidrofilicidad: Los grupos funcionales que contienen oxígeno en SLGO lo hacen fácilmente dispersable en agua y solventes orgánicos polares, lo que facilita la preparación de materiales compuestos y suspensiones de electrodos.
Reactividad química: Los grupos funcionales que contienen oxígeno (especialmente -COOH y -OH) pueden reaccionar con iones metálicos, polímeros y otras moléculas funcionales, lo que permite el diseño y la síntesis de materiales compuestos avanzados con propiedades personalizadas.
3. Exploración de aplicaciones en materiales de cátodos de baterías de iones de litio
3.1 Limitaciones de los materiales de cátodo tradicionales
Los materiales de cátodo de batería de litio (LIB) tradicionales, como el fosfato de hierro y litio (LiFePO₄), el óxido de litio y cobalto (LiCoO₂) y el óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (LiNiₓMnᵧCo₁₋ₓ₋ᵧO₂, NCM), enfrentan desafíos importantes que limitan su rendimiento:
Baja conductividad eléctrica: por ejemplo, LiFePO₄ tiene una conductividad electrónica de solo 10⁻⁹~10⁻¹⁰ S/cm, lo que restringe severamente el transporte de electrones durante la carga y descarga, lo que genera una capacidad de velocidad deficiente.
Cinética de difusión lenta de Li⁺: la estructura cristalina densa de los cátodos tradicionales (por ejemplo, LiCoO₂) da como resultado un coeficiente de difusión de Li⁺ bajo (10⁻¹⁴~10⁻¹² cm²/s), lo que provoca una polarización significativa a altas velocidades.
Problemas de estabilidad del ciclo: la degradación estructural (por ejemplo, transición de fase en LiFePO₄) y la disolución de iones metálicos (por ejemplo, Co³⁺ en LiCoO₂) durante el ciclo provocan una pérdida de capacidad.
3.2 Intentos y logros de los cátodos compuestos SLGO
Para abordar estas limitaciones, los investigadores han desarrollado materiales de cátodo compuestos de SLGO a través de varias estrategias compuestas, que han mejorado significativamente la conductividad eléctrica, la eficiencia de difusión de Li⁺ y la estabilidad del ciclo de los cátodos.
3.2.1 Estrategia de semiencapsulación
En la estructura de semiencapsulación, las láminas de SLGO están parcialmente unidas a la superficie de las partículas del cátodo, formando un "bridge" entre partículas. Esta estructura mantiene la integridad de la estructura cristalina del cátodo mientras construye una red conductora. Por ejemplo, en compuestos de LiFePO₄/SLGO preparados por el método hidrotérmico, las láminas de SLGO se anclan selectivamente en el plano (010) de LiFePO₄ (el plano principal de difusión de Li⁺). Esto no solo mejora la conductividad electrónica del compuesto (de 10⁻¹⁰ S/cm a 10⁻³ S/cm), sino que tampoco bloquea los canales de difusión de Li⁺. A una tasa de 10C, el compuesto proporciona una capacidad específica de 120 mAh/g, que es 3 veces mayor que la del LiFePO₄ puro (40 mAh/g) (Zhang et al., 2020).
3.2.2 Estrategia de encapsulación completa
La estrategia de encapsulación completa consiste en envolver láminas de SLGO alrededor de partículas catódicas individuales, formando una estructura de núcleo-capa. Esta estructura puede inhibir eficazmente la disolución de iones metálicos y la degradación estructural. En los compuestos de LiCoO₂/SLGO preparados mediante el método de autoensamblaje electrostático, la capa de SLGO (espesor: ~5 nm) actúa como barrera física para evitar la disolución de Co³⁺ en el electrolito. Tras 500 ciclos a 1 °C, la tasa de retención de capacidad del compuesto es del 85 %, en comparación con tan solo el 60 % del LiCoO₂ puro (Wang et al., 2021). Además, la capa de SLGO mejora la conductividad eléctrica del LiCoO₂, mostrando el compuesto una capacidad específica de 165 mAh/g a 0,5 °C (un 15 % superior a la del LiCoO₂ puro).
3.2.3 Estrategia de mezcla ultrasónica
La mezcla ultrasónica es un método sencillo y escalable para preparar cátodos de compuestos de SLGO. Mediante ultrasonidos de alta intensidad, las láminas de SLGO se dispersan uniformemente entre las partículas del cátodo, formando una red conductora tridimensional. Este método evita la aglomeración de las láminas de SLGO y garantiza un buen contacto entre el SLGO y las partículas del cátodo. Un estudio sobre compuestos de LiNi₀.8Mn₀.1Co₀.1O₂ (NCM811)/SLGO preparados mediante mezcla ultrasónica mostró que el compuesto tenía un coeficiente de difusión de Li⁺ de 5×10⁻¹¹ cm²/s (el doble que el NCM811 puro). A una velocidad de 5C, el compuesto alcanzó una capacidad específica de 150 mAh/g y, tras 200 ciclos, la tasa de retención de capacidad fue del 92 % (Li et al., 2022).
4. Investigación exhaustiva sobre materiales para ánodos de baterías de iones de litio
4.1 Desafíos y avances del SLGO como material de ánodo directo
El SLGO tiene un gran potencial como material anódico para baterías de iones de litio (LIB) gracias a su gran superficie específica y a su alta capacidad teórica de almacenamiento de Li⁺ (~744 mAh/g, basada en LiC₆). Sin embargo, el uso directo del SLGO como ánodo se enfrenta a dos retos importantes:
4.1.1 Apilamiento de capas
Las fuerzas de van der Waals entre las láminas de SLGO provocan fácilmente el apilamiento, lo que reduce la superficie específica y bloquea los canales de difusión de Li⁺, lo que resulta en una baja capacidad de velocidad. Por ejemplo, los ánodos de SLGO puros tienen una superficie específica de tan solo ~500 m²/g (mucho menor que el valor teórico) y su capacidad a 5 °C es inferior a 200 mAh/g.
4.1.2 Baja eficiencia coulombiana inicial
Los grupos funcionales que contienen oxígeno en el SLGO pueden reaccionar con Li⁺ durante el primer ciclo de carga-descarga, formando una capa de interfase electrolítica sólida (SEI) de alta impedancia. Esto resulta en una baja eficiencia coulombiana inicial (a menudo inferior al 60%), lo que limita la aplicación práctica de los ánodos de SLGO.
Para abordar estos problemas, los investigadores han desarrollado varios métodos de modificación:
4.1.3 Método de expansión térmica
Al calentar SLGO a 800~1200 °C en una atmósfera inerte (p. ej., Ar), los grupos funcionales que contienen oxígeno se descomponen en productos gaseosos (CO, CO₂, H₂O), lo que genera presión interna para expandir las láminas de SLGO en una estructura porosa. Esta estructura porosa no solo evita el apilamiento de capas, sino que también aumenta el área superficial específica y proporciona más sitios de almacenamiento de Li⁺. Un estudio de Li et al. (2021) mostró que el SLGO expandido térmicamente (TE-SLGO) tenía un área superficial específica de 1800 m²/g, y su eficiencia coulombiana inicial aumentó al 85% (debido a la reducción de los grupos que contienen oxígeno). A una velocidad de 1C, TE-SLGO entregó una capacidad específica reversible de 650 mAh/g, y después de 200 ciclos, la tasa de retención de capacidad fue del 92%.
